风云三号卫星微波湿度计天线驱动控制

孙茂华，何宝宇，张升伟

（中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190）

风云三号卫星微波湿度计用于全天时、全天候地观测全球大气湿度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空间气象资料，在大气探测中具有重要作用。

风云三号卫星微波湿度计由3个单元组成，即：接收机单元、数控单元和电源单元。其中，接收机单元由天线与馈电网络、接收机前端、中低频接收机、热辐射定标源、扫描机构、天线驱动控制模块等部分组成；数控单元包括微处理器模块、接收机控制及数据采集模块、电源控制模块以及总线通信模块4部分。

本文着重介绍数控单元如何根据地面注入指令控制天线扫描驱动机构的工作模式，同时通过读取天线辅助参数，根据天线角编码信息所对应的时序完成科学数据的采集。此部分的主要功能如下：

（1）通过1553B总线接收地面注入数据；

（2）根据解析的注入数据向天线驱动控制模块发送天线工作模式控制指令；

（3）读取天线辅助参数，包括天线角度信息和状态信息；

（4）根据天线角度信息和既定时序采集对地观测及定标数据，并将遥感数据传送到地面。

数控单元与天线驱动机构之间的数据传输是双向的，天线控制指令由数控单元发送到天线驱动机构，而天线控制机构则将天线的相关参数反馈给数控单元使其完成后续任务；双向信号均为48 bit串行数据并包括1路时钟信号，2路逻辑控制信号，传输形式为LVDS低压差分信号，传送速率2 Mb/s，收到地面注入时发送控制指令，随时读取天线辅助数据[1]。天线控制信息流图如图1所示。

图1 天线控制信息流图

1 天线扫描模式

为提高微波湿度计的可靠性，保证在轨寿命期间的正常运行，天线的驱动电机和驱动控制模块由德国公司设计完成，采用直流无刷电机，不经过齿轮传递直接驱动；电机绕组和驱动控制电路为冷备份设计；轴承润滑措施采用脂润滑方式；进行必要的温控，保证工作温度范围；天线罩采用轻质金属合金材料，减小转动惯量和负载力矩。

微波湿度计扫描驱动机构共分为3种扫描模式：变速扫描、匀速扫描及定点观测。此外还有一种停止模式，在接收机未开启之前和两种扫描模式切换之间使用。3种扫描模式的采用可满足卫星在轨工作中的各种需求，增加了系统的灵活性和实用性。

1.1 周期性连续变速扫描

变速扫描模式为正常情况下首选的对地观测工作模式，即默认工作模式。根据FY-3卫星的状态，微波湿度计采用机械扫描，扫描方式为垂直于飞行轨迹的360°的连续变速圆周扫描，对地观测扫描张角为±53.35°（以天底点为中心），即126.65°～233.35°，连续采样98个点，采样间隔为1.1°。冷空定标角度为107.1°，高温定标源位于天顶点，图2为周期扫描速度曲线，扫描过程如图3所示。

图2 湿度计周期扫描速度曲线

图3 微波湿度计变速扫描模式

从图中可以看出假定天顶点为起始点0°，扫描过程依次为：匀速（热源定标）→加速→匀速→减速→匀速（冷空定标）→加速→减速→匀速（对地观测）→加速→匀速→减速→匀速（热源定标），完成一个扫描周期需要2.667 s，

1.2 匀速扫描

根据卫星及微波湿度计在轨运行的实际情况，如果微波湿度计天线转动对卫星姿态产生影响或变速扫描模式工作异常时可采用匀速扫描模式，工作模式的改变通过地面数据注入来完成。

1.3 定点观测

定点观测模式是在需要对某些特定角度进行连续观测的条件下所采用。通过地面数据注入切换至定点观测模式，可对任意固定角度进行观测。

1.4 停止模式

此种工作模式是微波湿度计扫描驱动机构的缺省模式，系统上电时扫描驱动机构即处于停止状态，当接收机开始工作之后才开启天线进入前3种扫描模式。在其他扫描模式切换的过程中，前一种扫描模式不能直接进入另一种，必须先进入停止模式，然后才能启动另一种扫描模式。所有工作模式的切换均由地面注入完成，星上无自主控制。

在天线扫描驱动机构发生工作异常时，也应采用停止模式，此种模式下电机不再驱动天线转动，电源只需要提供很小的电流，这样避免了电机故障可能产生的电流长时间持续增大的现象，保证了微波湿度计电源的安全，从而不会对整星造成不良影响。

2 天线驱动控制

2.1 数控单元天线控制接口

从天线控制信息流图可以看出，天线驱动控制的第一个环节是数控单元，首先接收卫星指令，然后将天线控制指令通过天线控制接口发送到天线控制模块，数控单元天线驱动控制接口主要由80C32串口、LVDS发送器、LVDS接收器及相应的逻辑电路组成，详细框图如图4所示。

图4 天线驱动控制接口

天线控制接口的功能是产生天线驱动控制模块所需的控制指令，读取天线状态和角编码信息，数控单元和天线驱动控制模块之间接口信号包括48 bit串行信号（双路双向）、1路时钟信号，2路逻辑控制信号。48 bit串行数据的发送和接收以及时钟信号由80C32的串口完成，相关的逻辑控制信号由I/O口产生，信号传输形式为LVDS（低压差分信号）。传送速率2 Mb/s，控制指令需要时发送，随时读取天线信息[1]。

2.2 天线驱动控制接口时序

2.2.1 天线驱动控制命令发送时序

天线驱动控制命令发送时序如图5所示，控制信号分为4路信号输出，在命令发送期间信号S_Acq为低电平，信号S_Cmd为高电平，48 bit串行数据传送完成后S_Acq与S_Cmd均变为低电平。48 bit串行数据定义如表1所示，其中位置控制器增益、速度控制器增益以及电偏移量是固定的，在电机调试后给出。

图5 天线控制命令发送时序

表1 MCDE串行控制命令定义

2.2.2 天线状态信息读取时序

天线状态信息读取时序如图6所示，信号分为3路输出信号和1路48 bit串行输入信号，在读数期间信号S_Acq为高电平，信号S_Cmd为低电平，48 bit串行数据传送完成后S_Acq与S_Cmd均变为低电平。48 bit串行数据定义如表2所示，其中位置控制器增益、速度控制器增益以及电偏移量是固定的，在电机调试后给出。

图6 天线状态信息读取时序

表2 MCDE串行状态信息定义

3 实际应用

此天线扫描驱动模式是为适应风云三号卫星微波湿度计的工作方式而特别设计的，在现已发射的两颗风云三号卫星上此种天线驱动控制方式已获得应用，其中微波湿度计在A星上工作已超过4年，B星上的微波湿度计也已工作将近两年，期间未发生天线驱动控制异常及辅助参数读取错误而导致的数据采集异常的情况，实践证明这套控制系统是完善、可靠的。即将发射的风云三号C星，此天线驱动控制方式在原有的基础上进一步改善，减少了器件使用的数量，降低了功耗和体积，从而可靠性也获得了相应的提高。

[1]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.